王金輝，徐寶山，惠 磊

(甘肅省疏勒河流域水資源局，蘭州 735211)

測控一體化閘門是澳大利亞璐碧墾公司聯(lián)合墨爾本大學(xué)共同研發(fā)的集測量和控制為一體的自動(dòng)化遠(yuǎn)程操控閘門，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水信息的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)，而且實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的遠(yuǎn)程精確控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有精度高、操作方便的特點(diǎn)。甘肅省疏勒河流域水資源局借助清華大學(xué)《水聯(lián)網(wǎng)多水源實(shí)時(shí)調(diào)度過程控制技術(shù)》科研項(xiàng)目和《敦煌規(guī)劃》，從2012年開始，陸續(xù)在昌馬灌區(qū)南干渠共引進(jìn)安裝了63孔測控一體化閘門，全面覆蓋了南干渠管轄區(qū)域0.492 萬hm2的灌溉面積[1,2]。目前，測控一體化閘門在疏勒河灌區(qū)已經(jīng)安裝運(yùn)行五年多，整體運(yùn)行狀態(tài)良好，它精準(zhǔn)的測量控制大大降低了輸水過程中的跑水、漏水等水量損失問題，提高了農(nóng)田水利用效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，也提高了灌區(qū)水資源的管理水平，推進(jìn)了現(xiàn)代化、智能化、精細(xì)化灌區(qū)的不斷發(fā)展。但隨著設(shè)施設(shè)備的運(yùn)行，零配件的老化，或因風(fēng)沙、不同水質(zhì)等影響，會(huì)出現(xiàn)了一些運(yùn)行故障，尤其是傳感器故障頻頻發(fā)生，造成無法精準(zhǔn)施測進(jìn)而嚴(yán)重影響了灌區(qū)的正常輸水和渠道的安全運(yùn)行。不論是美國還是澳大利亞本土，由于設(shè)備的常態(tài)化使用和當(dāng)?shù)氐娜宋沫h(huán)境，設(shè)備并未增加厚重的外殼和保護(hù)裝置，使得設(shè)備在進(jìn)行維護(hù)時(shí)，輕松方便。同時(shí)，較寬的斷面以及平緩不間斷的水流，對(duì)一體化測控閘門的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了天然環(huán)境，所以，傳感器的故障并非閘門的主要故障和安全隱患，澳大利亞本土傳感器的清洗維護(hù)只是采取最初的斷電抽拔清洗方法，并未進(jìn)行其他的處理和研究更加自動(dòng)化的方法。

本文結(jié)合問題實(shí)際，分析研究傳感器工作原理，探索傳感器清洗維護(hù)方法，旨在找出一種合理、方便、高效的解決辦法。同時(shí)，為使用測控一體化閘門的其他灌區(qū)提供可行的技術(shù)支撐和服務(wù)指導(dǎo)，從而，進(jìn)一步擴(kuò)大測控一體化閘門的推廣應(yīng)用。

1 傳感器構(gòu)造和測流原理

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)

傳感器正常工作是測控一體化閘門正?？煽窟\(yùn)行的基礎(chǔ)和重要保障。自2012年引進(jìn)疏勒河灌區(qū)之后，安裝在流速快、斷面小的渠道上，泥沙多、水質(zhì)差、斷面小、流速快等問題嚴(yán)重影響著閘門的安全運(yùn)行，特別是傳感器出現(xiàn)流量不顯示、流量不準(zhǔn)確等問題更為突出[3,4]。傳感器構(gòu)造如圖1所示。

1.2 傳感器測流故障分析

測控一體化閘門傳感器是采用超聲波水位傳感定位水面，以閘門橫梁為參考零點(diǎn)，測定上、下游水位并結(jié)合閘門開度，利用堰流(頂流式)公式計(jì)算過閘流量。因?yàn)閭鞲衅鲀?nèi)嵌在測控一體化閘門的邊框內(nèi)，所以渠道內(nèi)的水流需要通過邊框上的小孔進(jìn)入傳感器延伸管內(nèi)，內(nèi)外形成自由液面，傳感器在特定的時(shí)間內(nèi)及時(shí)感知水位的變化，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測水位流量的目的。由于灌區(qū)灌季或臨時(shí)泥沙較大造成渠道停水，渠道不過水期間，造成從小孔進(jìn)入傳感器延伸管的細(xì)小泥沙沉淀硬化，在下一次閘門再過水時(shí)，水流不能及時(shí)進(jìn)入傳感器延伸管內(nèi)，使得傳感器不能感知過閘水流的變化，出現(xiàn)一段時(shí)間的流量不顯示、不準(zhǔn)確等問題，造成水量不能及時(shí)精準(zhǔn)計(jì)量統(tǒng)計(jì)和存在行水安全隱患。

圖1 測控一體化閘門傳感器構(gòu)造圖

2 技術(shù)方案

通過研究傳感器構(gòu)造和分析測流原理，本文主要以試驗(yàn)改造和技術(shù)集成為手段，按照發(fā)現(xiàn)問題-提出問題-分析問題-解決問題的工作思路不斷推進(jìn)研究進(jìn)程和實(shí)現(xiàn)技術(shù)目標(biāo)。初期對(duì)現(xiàn)有保護(hù)外殼進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)改造，進(jìn)一步探索外置的高壓水沖洗設(shè)備和高效自沖洗裝置。技術(shù)路線圖如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線圖

3 設(shè)計(jì)改造與應(yīng)用

3.1 外殼優(yōu)化與人工清洗裝置

為了方便快捷的開啟保護(hù)外殼，對(duì)原有設(shè)計(jì)的保護(hù)罩外殼按照實(shí)際需求進(jìn)行重新改造設(shè)計(jì)，采用輕便、強(qiáng)度達(dá)到要求的材質(zhì)優(yōu)化，對(duì)不能輕松取出傳感器的一邊，添加折頁，優(yōu)化設(shè)計(jì)尺寸。根據(jù)傳感器安裝的位置和運(yùn)行特點(diǎn)，采用車載高壓水槍沖洗作為基本措施，沖洗傳感器插槽內(nèi)泥沙。通過多次人工清洗，解決了傳感器不顯示、不準(zhǔn)確的問題，提高了測量精度，減小了閘門發(fā)生故障的概率，增強(qiáng)了閘門運(yùn)行的穩(wěn)定性(見圖3)。

圖3 外殼設(shè)計(jì)優(yōu)化及外置清洗裝置

3.2 自動(dòng)沖洗裝置

結(jié)合前期改造措施和技術(shù)方案，多次詢問潞碧墾公司技術(shù)人員并與自動(dòng)化機(jī)電設(shè)備安裝有限公司探討，現(xiàn)場實(shí)地分析研究，對(duì)傳感器卡槽和外壁進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，共用閘門電源，研究安裝自動(dòng)清洗裝置和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沖洗的功能。

(1)裝置工作原理。該自動(dòng)沖洗裝置控制系統(tǒng)由PLC、人機(jī)界面、12 V轉(zhuǎn)220 V逆變控制單元、軟件控制單元等組成以及外加沖洗水泵和超聲波傳感定位器。此控制系統(tǒng)根據(jù)人機(jī)界面設(shè)定的沖洗時(shí)間和水位閥值，通過可編程控制器，精確地控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，啟動(dòng)水泵工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)測控一體化閘門水位傳感器的沖洗[5-10]。具體清洗原理流程如圖4所示。

圖4 清洗原理流程圖

(2)現(xiàn)場試驗(yàn)及試運(yùn)行。開灌前，將自動(dòng)沖洗裝置控制系統(tǒng)安裝就緒，灌水后進(jìn)行了試運(yùn)行?，F(xiàn)場管理人員開啟控制系統(tǒng)清洗裝置，初步設(shè)定清洗時(shí)間為1 min+間隔時(shí)間為3 min，共計(jì)4 min。清洗閾值水位設(shè)定在30 cm處，經(jīng)過4 min的清洗，閘門傳感器從一開始的不顯示數(shù)據(jù)逐漸顯示水位數(shù)據(jù)并且從水面清晰地看到通過沖洗裝置增壓沖擊到傳感器的氣泡。自動(dòng)沖洗裝置控制系統(tǒng)達(dá)到了試運(yùn)行目標(biāo)和前期研究目的。

通過自動(dòng)沖洗裝置清洗，取出傳感器查看延伸管底部，基本達(dá)到在人工清洗狀態(tài)下的效果，去除了表面的沉積和網(wǎng)狀內(nèi)部淤積的泥沙。清洗效果如圖5所示。

3.3 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

根據(jù)現(xiàn)場試運(yùn)行一個(gè)循環(huán)4 min運(yùn)行情況，對(duì)傳感器水位流量變化進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。在沖洗之前，閘門開始放水，下游傳統(tǒng)巴歇爾量水堰已經(jīng)監(jiān)測到9 cm水位，按照三型堰流量關(guān)系曲線換算成水量為0.030 m3/s，但是測控一體化閘門一直處于不顯示流量狀態(tài)，從遠(yuǎn)程和本地查看流量，流量數(shù)值為0，而閘門實(shí)際已經(jīng)過流，務(wù)必會(huì)造成運(yùn)行安全隱患。具體如圖6所示。

圖5 清洗前后效果對(duì)比

圖6 沖洗前閘門顯示水位流量

為了驗(yàn)證設(shè)備清洗效果，開啟自動(dòng)清洗裝置，設(shè)定時(shí)間開始清洗。在清洗過程中，閘門依舊過流且水量保持到目標(biāo)流量值，實(shí)時(shí)觀測閘門傳感器水位流量變化，流量變化一次，秒表記錄一次時(shí)間。經(jīng)對(duì)記錄的水位流量變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)圖7(a)所示，傳感器在沖洗過程中，從一開始的沒有數(shù)據(jù)，到0∶28∶48 s時(shí)，流量顯示數(shù)據(jù)為0.022 8 m3/s，之后隨著時(shí)間軸的不斷推移，流量處于逐漸增大趨勢(shì)，最終時(shí)間在2∶00∶00 s左右，流量數(shù)值保持在0.264 2～0.265 3 m3/s。主要原因是通過沖洗裝置將有壓水注入傳感器延伸管內(nèi)，不僅清洗了延伸管內(nèi)部的泥沙，也是延伸管內(nèi)自由液面不斷上升，造成傳感器監(jiān)測到不斷變化的水位流量，由于進(jìn)入傳感器延伸管內(nèi)的有壓水最終穩(wěn)定在一個(gè)液面，所以流量數(shù)值也保持在一個(gè)穩(wěn)定值。

之后自動(dòng)清洗裝置停止沖水，傳感器延伸管內(nèi)水位液面逐漸回落，根據(jù)圖7(b)所示，從最初的0.267 9 m3/s下降到0.098 m3/s，共用時(shí)0∶48∶59 s。此時(shí)，通過2 min的沖洗，測控一體化閘門傳感器基本恢復(fù)正常，能夠精準(zhǔn)量測水位流量，傳感器監(jiān)測到閘門有過水，之后傳感器根據(jù)閘門實(shí)際的過閘水量計(jì)算量測，水位流量最終穩(wěn)定在0.1 m3/s左右，與之前量測的水量(巴歇爾量水堰)基本一致。

圖7 沖洗過程中閘門監(jiān)測水位流量變化趨勢(shì)

圖8 沖洗后閘門水位流量對(duì)比圖

由圖7所示，流量趨勢(shì)變化充分說明自動(dòng)清洗裝置基本達(dá)到了清洗傳感器的目的，試運(yùn)行狀況良好，滿足研究設(shè)定的目標(biāo)要求。通過進(jìn)一步對(duì)比閘門顯示流量和下游巴歇爾量水堰測量水位，兩種量水設(shè)施設(shè)備顯示的水位流量基本相同，誤差在4%內(nèi)。如圖8所示。

4 結(jié) 語

通過認(rèn)真觀察試驗(yàn)和試運(yùn)行分析研究，從設(shè)備保護(hù)外殼改造入手到實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沖洗功能為目標(biāo)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際提出了自動(dòng)清洗裝置，最終解決傳感器不顯示、不準(zhǔn)確的問題，大大降低了維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，而且避免了閘門由于流量不顯示、不準(zhǔn)確造成的運(yùn)行管理問題，增強(qiáng)了一體化測控閘門的安全穩(wěn)定性，提高了灌區(qū)水資源利用效率，實(shí)現(xiàn)了建立田間精細(xì)化灌溉技術(shù)體系的戰(zhàn)略目標(biāo)，為其他安裝一體化測控閘門的灌區(qū)提供技術(shù)指導(dǎo)和運(yùn)用示范。同時(shí)，通過此次解決傳感器故障的技術(shù)難題，切實(shí)更進(jìn)一步發(fā)揮了一體化測控閘門自動(dòng)控制和精確測流優(yōu)點(diǎn)，為灌區(qū)發(fā)展現(xiàn)代化、信息化、自動(dòng)化提供堅(jiān)強(qiáng)有力技術(shù)支撐和設(shè)備保障。